三稳态永磁操动机构原理与应用

闵 伟，黄志军，李建兵，史政凯，郭国领

(天津平高智能电气有限公司，天津300300)

0 引 言

三工位隔离－接地开关［1－3］、液压阀、自动转换开关电器(ATSE)［4－5］等设备都有三个工作位置，需要相应的三工位操动机构［6］来操动。现有三工位隔离－接地开关和液压阀的三工位操动机构主要采用电磁铁与弹簧操动机构，通过机械和电气的互锁装置的方式实现三个工作位置的切换。现有的三工位ATSE 内部则通常配有两套操动机构，也是通过机械和电气的互锁装置实现双电源的可靠转换。上述这些基于弹簧操动机构［7］的三工位操动机构都存在结构复杂、体积大、可靠性不高的问题。

与带互锁装置的弹簧操动机构相比，永磁操动机构［8］的运动部件少，结构简单;采用永磁力作为保持力，无需机械脱扣和锁扣装置，零件总数大大减少，提高了系统可靠性。此外，采用永磁操动机构的断路器还能够实现电压过零时合闸、电流过零时分闸的选相合、分闸操作，为断路器的智能化奠定了基础。因此，永磁操动机构成为目前学术界和工业界的研究热点［9－21］。

但是现有的永磁操动机构只有两个稳态的工作位置，无法直接用于操动三工位开关。为了解决这一问题，沈阳工业大学提出了一种三稳态差动式永磁操动机构［22］。该机构通过在现有双稳态永磁操动机构的两端加装弹簧来实现第三个稳态位置，结构简单，可控性好，但是该机构其它两个位置的保持力需要额外克服弹簧的拉力，这将增加永磁材料的用量，提高了成本。中国西电电气股份有限公司则提出了一种三工位双稳态永磁机构［23］。这种三工位双稳态永磁机构将两个双稳态永磁机构叠加起来，实现了三个工作位置的切换，但这种永磁操动机构需要两组永磁体，成本高，结构也比较复杂。

为了简化三工位隔离－接地开关、自动转换开关电器、液压阀等设备的结构，提高其可靠性，本文将永磁开关磁通直线电机［24－26］的齿槽结构与现有永磁操动机构相结合，提出了一种三稳态永磁操动机构，并分析了其工作原理，通过有限元仿真，计算其静态磁场分布。该三稳态永磁无须弹簧或凸轮等其他机械结构，仅仅通过磁路的闭合就能将动铁心稳定在三个位置上，无需脱扣、锁扣装置即可实现三工位隔离－接地开关、自动转换开关电器、液压阀等设备在其三个工作位置的切换，并实现最终位置的保持功能，而且所需永磁材料的量与现有的双稳态永磁操动机构相同，降低了成本。

1 三稳态永磁操动机构的基本结构

本文提出的三稳态永磁操动机构的基本结构如图1 所示。这种三稳态永磁操动机构的外形为圆柱形，图1 给出了过圆柱中轴线的剖面图。

图1 三稳态永磁操动机构的结构

如图1 所示，三稳态永磁操动机构主要由静铁心、动铁心、上驱动线圈、中驱动线圈、永磁体、下驱动线圈、和驱动杆组成。动铁心设置在该机构的中央位置。驱动杆与动铁心固定连接，永磁体与静铁心固定连接。永磁体为环形，其充磁方向为从环的中心指向环外。静铁心和动铁心上设有与永磁开关磁通直线电机类似的齿槽结构，通过这种齿槽结构进行导磁通路的切换，使动铁心在a、b、c 三个不同位置能与永磁体、静铁心构成稳定的磁路，从而将动铁心稳定在这三个位置上，实现操动机构的三个稳态工作位置。

在图1 中，动铁心处于位置b。此时，动铁心向上移动可以到达位置a，向下移动可以到达位置c。

2 三稳态永磁操动机构的工作原理

本文采用有限元分析，计算了图1 的三稳态永磁操动机构的磁场分布。下面结合永磁操动机构不同工作状态的磁场分布图，介绍该机构的具体工作原理。

不妨定义图1 中线圈左半边电流流出纸面或者线圈右半边电流流入纸面时的电流方向为电流正方向。当动铁心在图1 所示的位置b 且所有线圈均不通电时，该机构由永磁体产生的磁场的分布图如图2 所示。显然，此时动铁心处于稳态位置，即动铁心受到外界扰动而稍微偏离该位置时，动铁心所受的磁力会驱动其回到该稳态位置。

图2 动铁心在位置b 且线圈中无电流的磁场分布

在稳态位置b 时，给下驱动线圈通入正向电流，其他线圈不通电，动铁心便受到向下的磁力，带动驱动杆开始向稳态位置c 运动，此时三稳态永磁操动机构的磁场分布示意图如图3 所示。

图3 动铁心在位置b 且线圈通入正向电流的磁场分布

在图3 所示情况下，动铁心带动驱动杆运动到位置c，切断所有线圈的电流，动铁心就在永磁体提供的磁场力的作用下吸合在静铁心的下端，从而稳定在位置c 上，此时该机构的磁场分布示意图如图4 所示。显然此位置是一个稳定的位置，而且永磁体的吸合力将提供较强的开关合闸所需的保持力。

图4 动铁心在位置c 且线圈中无电流的磁场分布

永磁操动机构的动铁心在位置c 时，如果在下驱动线圈和中驱动线圈中分别通入负方向电流而上驱动线圈不通电，机构的磁场分别将如图5 所示。此时动铁心将在磁场力作用下从位置c 向位置b 运动，从而回到位置b。

当动铁心和驱动杆稳定在位置b 时，向上驱动线圈通入负向电流，其他线圈不通电，动铁心将在磁场力作用下开始从位置b 向位置a 运动，此时该机构的磁场分布示意图将如图6 所示。随后，动铁心带动驱动杆运动到位置a，切断所有线圈的电流，动铁心就在永磁体提供的磁场力的作用下吸合在静铁心的上端，从而稳定在位置a 上，此时该机构的磁场分布示意图如图7 所示，显然此位置是一个稳定的位置，而且永磁体的吸合力将提供的开关合闸所需的保持力。

图6 动铁心在位置b 且下驱动线圈通负向电流的磁场分布

图7 动铁心在位置a 且上驱动线圈无电流时的磁场分布

当动铁心在位置a 时，如果在上驱动线圈和中驱动线圈中分别通入正向电流，机构的磁场分别将如图8 所示，此时动铁心将在磁场力作用下从位置a 向位置b 运动，从而回到位置b。至此，该机构完成了一个完整的工作循环。

图8 动铁心在a 位置且上驱动线圈和中驱动线圈通入正向电流时的磁场分布

3 动铁心中间位置受力分析

与现有的双稳态永磁操动机构相比，三稳态永磁操动机构的主要优势是动铁心具有第三个稳态位置b。下面将分析三稳态永磁操动机构所有线圈都不通电时，动铁心在该位置附近的受力情况。

本文研究的三稳态永磁操动机构的参数模型如图9 所示。各个参数的值列在表1 中。动铁心与永磁体之间的气隙设为1 mm。

图9 三稳态永磁操动机构参数模型示意图

表1 三稳态永磁操动机构参数

本文采用有限元法计算了永磁操动机构线圈中无电流时，其静铁心在如图9 所示稳态位置附近所受的静态磁场力。不妨设动铁心的位置矢量mz向上为正，向下为负;动铁心所受磁场力Fz向上为正，向下为负。此时，动铁心偏离稳态位置(mz=0)所受磁场力的计算结果如图10 所示。由图10 可知，当动铁心向上偏离稳态位置时会受到向下的磁场力;当动铁心向下偏离稳态位置时会受到向上的磁场力;在稳态位置附近，动铁心所受磁场力接近于零。因此，动铁心受到外界扰动而稍微偏离该稳态位置时，动铁心所受的磁场力会驱动其回到该稳态位置，与上述的定性分析吻合。

图10 静铁心在稳态位置附近所受的磁场力

4 典型应用

为了减小三工位开关的体积，在现有两工位真空灭弧室的基础上，工业界出现了三工位真空灭弧室［27－28］。三稳态永磁操动机构操动这种三工位真空灭弧室的示意图如图11 所示。由图11 可知，采用本文给出的三稳态永磁操动机构将极大地简化三工位开关的结构，提高其可靠性。

图11 三稳态永磁操动机构典型应用

5 结 语

为解决现有三工位操动机构结构复杂、可靠性不高的问题，本文提出了一种三稳态永磁操动机构，可以用于操动三工位隔离－接地开关、自动转换开关电器、液压阀等设备。这种三稳态永磁操动机构具有运动部件少、所用永磁材料少、结构简单的特点，采用永磁力作为保持力，无需机械脱扣和锁扣装置，零件总数大大减少。

本文给出了这种三稳态永磁操动机构的基本结构，结合该机构的磁场分布图分析了其工作原理，采用有限元法，定量计算了该操动机构的动铁心在中间稳态位置附近所受的磁场力，证明了当动铁心受到外界扰动而稍微偏离该稳态位置时，动铁心所受的磁场力会驱动其回到该稳态位置。最后，本文给出了这种三稳态永磁操动机构的典型应用。

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